Un parametro energetico per caratterizzare la pallinatura

L’intensità di Almen e la copertura superficiale sono noti per essere i parametri che definiscono i trattamenti che fanno riferimento alla pallinatura. Nel presente contributo si propone una variabile basata sull’energia del processo in grado di considerare gli effetti dell’intensità e della copertura della superficie di Almen.

La pallinatura è trattamento superficiale noto per i suoi effetti favorevoli nel migliorare la resistenza a fatica dei componenti meccanici. È stato ampiamente utilizzato per decenni in molteplici ambiti e consiste nel bombardare una superficie metallica con piccoli elementi sferoidali per indurre sollecitazioni residue di compressione sullo strato superficiale del materiale trattato, unitamente all’incrudimento degli strati superficiali.

Con i recenti progressi tecnologici e lo sviluppo di adeguati macchinari, il concetto di pallinatura è stato esteso a una vasta gamma di trattamenti superficiali basati sull’impatto ad alta velocità. Tra questi si può citare la pallinatura ad ultrasuoni (USSP), il Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT), la pallinatura severa (SSP) e la pallinatura a cavitazione, per citare quelli noti. Ciò che accomuna tutti questi metodi è l’applicazione di una severa deformazione plastica attraverso impatti ad alta energia per indurre raffinamento del grano, indurimento del materiale e sollecitazioni residue di compressione.

Qualunque sia il trattamento di interesse, i risultati ottenuti sono principalmente influenzati da alcuni parametri comuni ai trattamenti di peening sopra menzionati. I parametri critici sono la dimensione della indentazione generata da un singolo impatto, che a sua volta è influenzata dalla velocità di impatto e dal materiale, oltre che dalla geometria del pezzo e dal tempo di esposizione totale. Questi fattori sono praticamente determinati scegliendo il valore di due parametri caratteristici utilizzati nella pallinatura convenzionale, ovvero l’intensità di Almen e la copertura superficiale.

L’intensità di Almen è la misura industriale dell’energia cinetica del flusso di sfere ed è calcolata misurando la curvatura residue di delle piastrine Almen standard, a valle al trattamento. Sebbene riconosciuto come “il parametro” caratterizzante la pallinatura, la stima dell’intensità di Almen non è semplice e richiede l’uso di un’apposita piastrina Almen e di uno strumento per misurarne la curvatura residua. La copertura superficiale, d’altra parte, è il rapporto tra l’area deformata plasticamente e l’intera superficie trattata.

Considerando il comportamento esponenziale della copertura superficiale nel tempo, le coperture superiori al 98% sono stimate moltiplicando i fattori per il tempo necessario per raggiungere la copertura completa. Per molto tempo, gli esperti hanno cercato di fornire grafici empirici, formulazioni e simulazioni numeriche per mettere in relazione questi parametri primari di processo con il comportamento meccanico del materiale trattato. Tuttavia, la maggior parte degli approcci disponibili sono limitati a valori specifici di parametri di processo e materiali e non possono essere generalizzati in modo diretto. Inoltre, l’intensità di Almen e la stessa copertura superficiale sono associate a più parametri di processo. Ad esempio, la copertura della superficie è direttamente influenzata dall’interazione dei corpi che impattano; il che vuol dire dalle proprietà del materiale e dalla zona di contatto, che sono a loro volta influenzati dalla geometria del colpo e del materiale target, nonché dal flusso e dalla velocità delle sfere.

Risulta evidente, oltre che ad essere stato provato sperimentalmente, che è possibile ottenere diverse distribuzioni di sollecitazioni residue ed estensioni di aree deformate plasticamente, usando la stessa combinazione di intensità di Almen e copertura superficiale. Il che significa che la scelta di intensità e copertura non implica in modo univoco la conoscenza del risultato del trattamento. Questo lavoro mostra come la definizione e l’utilizzo di un singolo parametro direttamente correlato all’energia di impatto può essere utilizzato per questo scopo. Per mostrare il concetto, è stato sviluppato, validato e utilizzato un modello a elementi finiti (FEM) del processo di pallinatura.

L’approccio energetico suggerito considera l’effetto di tutti i fattori associati al flusso di sfere, comprese le sue dimensioni, le proprietà dei materiali e la velocità, combinandoli in un unico parametro e ha il potenziale per essere generalizzato per qualsiasi trattamento superficiale ad impatto.

Modello dell’impatto singolo

La dimensione della indentazione indotta dall’impatto delle sfere è di primaria importanza nel caratterizzare i trattamenti superficiali dinamici, poiché relaziona e controlla i due parametri principali dell’intensità e della copertura superficiale di Almen.

L’aumento delle dimensioni dell’indentazione corrisponde a intensità di Almen più elevate e si traduce in una maggiore copertura superficiale, per un dato numero di impatti; influenzerà di conseguenza gli sforzi residui, l’incrudimento superficiale, la rugosità superficiale e la morfologia della superficie. È noto che durante l’impatto, una parte della sua energia cinetica iniziale provocherà una deformazione plastica nel materiale impattato. Poiché la dimensione della indentazione viene modulata direttamente dall’energia cinetica convertita, questa energia può essere considerata un parametro in grado di descrivere i risultati del trattamento di peening. Preso atto dell’importanza della dimensione dell’indentazione, è stata considerata una serie di analisi di impatto singolo per fornire una stima accurata della sua dimensione. I risultati sono stati confrontati con quelli delle semplici equazioni empiriche disponibili suggerite, da Kirk e Ilda.

Figura 1 – Confronto del diametro e della profondità della dimensione della indentazione stimati dalle equazioni empiriche di Kirk e Iida con i dati ottenuti dall’analisi FEM a singolo impatto.

La Figura 1 mostra il buon accordo tra il modello FEM e le stime empiriche in termini di diametro e profondità della indentaziome, variando la velocità di impatto per un diametro di costante di 0,6 mm, considerando una densità di 7800 Kg/m3. I risultati confermano il chiaro effetto della velocità di impatto sull’aumento della dimensione globale della indentazione.

Figura 2 – (a) Diverse viste dell’indentazione ellittica generata da un impatto obliquo, rappresentato nei contorni di spostamento verticale. (b)-(c) Previsione della dimensione dell’impronta ellittica per gli impatti obliqui (diametro del tiro = 0,6 mm, velocità del colpo = 60 mm/s) ottenuta dall’analisi FEM a singolo impatto; (b) asse maggiore e minore; (c) profondità massima dell’ellisse.

L’angolo di impatto influenza l’intensità di Almen e la copertura della superficie; pertanto, è possibile ottenere una stima più realistica degli effetti del processo di peening tenendone conto. I dati sperimentali forniti da Kirk e i risultati FEM confermano che cambiando l’angolo di impatto rispetto a 90° (impatto perpendicolare alla superficie), la forma circolare dell’ammaccatura si trasforma in un’ellisse con profondità e dimensioni variabili, a differenza della dimensione costante e dell’ipotesi simmetrica considerata per le equazioni empiriche precedenti. La variazione degli assi maggiore e minore dell’ellisse per impatti obliqui può essere osservata in Figura 2 in funzione dell’angolo di impatto, per un diametro di sparo di 0,6 mm e una velocità di impatto di 60 mm/s.

I risultati indicano che aumentando l’angolo di impatto, cioè riducendo la componente verticale del vettore di velocità, diminuiscono le dimensioni dell’indentazione e la quantità di energia convertita in deformazione plastica, riducendo le successive sollecitazioni residue e gli effetti di incrudimento.

 

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